27 aug. 2011

Istiderna och jordens vingliga dans kring solen

Jorden vid glacialt maximum. Bygger på: "Ice age terrestrial carbon changes revisited" av Thomas J. Crowley (Global Biogeochemical Cycles, Vol. 9, 1995, pp. 377-389. Från Wikipedia Commons.
Vi har haft ett flertal inlägg som handlat om istider. Det som främst orsakar istider anses vara förändringar i jordaxelns lutning och jordbanans form. Här tänkte vi ta en närmare titt på hur det går till, bara så där för skojs skull.

Istider främjas av svala somrar på norra halvklotet. Då hinner sommarsolen inte smälta bort all snö, och snö packas på snö och bildar så småningom en inlandsis som sträcker sig längre och längre söderut. Och när man väl har ett istäcke så är det svårt att bli av med, eftersom is och snö med sin ljusa färg (dvs höga albedo) reflekterar bort solens strålning och därigenom skyddar sig själv från värmen. Det är själva istäcket och dess förmåga att reflektera solstrålningen som gör istiderna kalla, närmare bestämt upp till runt 6° C kallare globalt. Skälet till att det är svala somrar just på norra halvklotet som gäller är att landmassan på norra halvklotet är större än den på södra halvklotet.

Under perioder med svala somrar har vi också samtidigt milda vintrar (av skäl som snart kommer att förklaras), men det hindrar inte istäckets tillväxt. Det är ändå tillräckligt kallt på nordliga breddgrader för att det ska snöa. Om det är låt oss säga -5° eller -10° C på en viss plats under vintern spelar därför ingen större roll - det snöar i vilket fall. Faktiskt tenderar det att snöa mer när det är -5° än när det är -10° C, eftersom luftfuktigheten är högre vid högre temperaturer.

Men vad är det som orsakar svala somrar på norra halvklotet? För det första måste vi titta på vad som orsakar somrar (och andra årstider): det är jordaxelns lutning i förhållande till jordbanan runt solen. När jordaxelns norra ände lutar inåt mot solen så är dagarna på norra halvklotet (framför allt utanför tropikerna) längre vilket betyder mer solstrålning. Dessutom träffar solstrålningen jordytan i en mer rät vinkel vilket innebär att solstrålningen fördelas över en mindre yta samt har en kortare väg genom atmosfären (se bilden). På vintern är det tvärtom: dagarna är kortare, och solstrålningen träffar i en skarpare vinkel och sprids ut över en större yta och har längre väg genom atmosfären.

Jordens bana runt solen är inte en perfekt cirkel: den är en ellips, med ena änden närmare solen än den andra. Det innebär att jordens avstånd till solen varierar under årets gång. Det räcker inte till för att orsaka årstiderna, men det kan göra skillnaden mella svala och varma somrar. Svala somrar får vi om jorden befinner sig som längst från solen under norra halvklotets sommar. Då kommer jorden att befinna sig närmast solen på vintern, och vi får därför samtidigt milda vintrar. På det södra halvklotet får vi samtidigt varma somrar och kalla vintrar, eftersom deras sommar inträffar när jorden är närmast solen och vintern när jorden är längst från solen.

Var jorden befinner sig i jordbanan under norra halvklotets sommar respektive vinter varierar över tiden. Detta beror på att jordaxeln vinglar, dvs att jordaxelns lutning ändrar riktning. Denna vinglande rörelse kallas precession (se bilden här nedanför). Jordens precession utgör en cykel på 20,000 år. Därför växlar norra halvklotet mellan perioder med milda vintrar och svala somrar, och perioder med kalla vintrar och varma somrar. Det samma gäller för södra halvklotet, men när vi har  milda vintrar och svala somrar så har de kalla vintrar och varma somrar, och vice versa. Tydligen så räcker inte alltid perioderna med kalla vintrar och varma somrar på norra halvklotet till för att bryta isens grepp när väl en istid har inletts - annars hade istiderna bara varat  c:a 10,000 år åt gången. Nu varar de c:a 100,000 år. 


Precessionen i kombination med jordbanans elliptiska form är alltså huvudskälet till att jordens klimat växlar mellan istider och interglacialer (varma perioder). Med det slutar inte där. Hur starkt elliptisk jordbanan är (dvs jordbanans excentricitet) varierar också, med två olika cykler på respektive 100,000 och 400,000 år. När jordbanan är som mest excentrisk (dvs utdragen) och norra halvklotets sommar råkar infalla när jorden är som längst bort från solen, då får vi särskilt milda somrar här. Men en hög excentricitet leder också till särskilt varma somrar vid de perioder då jorden befinner sig närmast solen. Just nu är jordens bana nästan cirkelformad (dvs har låg excentricitet), och då får vi mest medelmåttiga vintrar och somrar: varken särskilt kalla och varma eller särskilt milda och svala. Med en låg excentricitet så har jordens precession inte så stor inverkan.

En tredje faktor som spelar in är att storleken på jordaxelns lutning också ändras över tiden. Detta kallas för vinkelns oblikvitet, och den förändras mellan 22° och 25,5° i en cykel på 41,000 år. Just nu är den på 23,5°. En hög oblikvitet bidrar till kallare vintrar och varmare somrar, och en låg oblikvitet bidrar till mildare vintrar och svalare somrar. Vi har alltså perfekta villkor för skapandet av ett istäcke om vi har har en precession så att vi har sommar på norra halvklotet när jorden befinner sig som längst från solen, och om jordbanan samtidigt är som mest excentrisk (det maximala avståndet till solen är som störst) och oblikviteten är som minst (dvs norra halvklotet vänder sig så litet som möjligt mot solen på sommaren).

Precessionens, excentricitetens och oblikvitetens cykler kallas tillsammans Milanković-cyklerna. Det är fascinerande att de inte orsakar någon större variation i den den totala solstrålningen som träffar jorden under ett helt år, utan att deras inverkan främst handlar om hur solstrålningen fördelas på jorden över året. Det är tillväxten av ett istäcke som gör det kallare, genom att mer solstrålning reflekteras tillbaka ut i rymden.

Men koldioxiden då? Den har också en roll i det hela, som en förstärkande faktor. Ett kallare klimat leder till att haven kan absorbera mer koldioxid, och när atmosfärens koldioxidhalt går ner så blir det ännu något kallare. När det å andra sidan blir varmare så avger haven koldioxid som värmer ännu mer.

Källa: David Archer. Global Warming - Understanding the Forecast. Blackwell Publishing, 2007.

22 kommentarer:

  1. Vad som är uppenbart är att ganska små förändringar i jordens förhållande till solen får stora konsekvenser. Det förhållande mellan temperatur och isvolym som beskrivs ovan visar en tydlig regelbundenhet. Lägger man till dessa kurvor de från isborrkärnor hämtade uppgifterna om koldioxidhalt finner man samma cykliska regelbundenhet fram till för ca 200 år sen då industrialiseringens epok driver koldioxidkurvan uppåt stick i stäv med tidigare flerhundratusenåriga förlopp.
    Detta är skrämmande, fysikaliska samband leker man inte med och i nuläget kan ingen tillfredsställande beskriva konsekvenserna av denna vår mycket dramatiska förändring av koldioxidhalten i vår atmosfär.

    SvaraRadera
  2. Is är också svårt att bli av med på grund av smältvärmen. Det åtgår 334 kJ för att smälta ett kg is men bara 2,2 kJ för att höja temperaturen 1 grad C.

    Den som vill roa sig med att få en uppfattning om skillnader i hur mycket effekt som strålar in på våra breddgrader över året kan göra en simulering:

    http://www.solelprogrammet.se/Projekteringsverktyg/

    SvaraRadera
  3. Bra redogörelse. Jag kommer omedelbart på att fundera hur många istider vi med hyfsad säkerhet kan säga har passerat. På diagrammet med isvolym ser det ut som om det mest har varit istid de senast 500 000 åren, med kortare interglacialer. Hur lång tid tillbaka sträcker sig det mönstret?

    SvaraRadera
  4. Mattias Ö,

    Det sträcker sig en så där 2 miljoner år tillbaka. Vid den tiden började temperaturen att variera betydligt mer än tidigare, och det blev också allmänt kallare. Vad som inleder en period med istider är mindre känt än hur det fungerar i perioden.

    SvaraRadera
  5. Så om jordens axel helt slår om vilket enligt forskare sker regelbundet i cykler, då borde vi få se på kraftfulla väder förändringar. När slutet av cyklen inträffar menar dem på att de går väldigt snabbt när axeln skiftar, ca 10 år.
    De menar även på att den "normala" cykeln är förbipasserad och att de som sker på jorden just nu är möjligen en sorts uppbyggnad inför axel skiftningen.
    Jag har för mig att de ser detta genom att ta prover på gammal förstelnad lava, som har kvar sina ursprungliga magnetiska värden sen hundratusentals år tillbaka i tiden. Reportaget om detta visades på SVT för några år sedan.

    SvaraRadera
  6. Angående början av de periodiska nedisningarna är det troligt att det är ett "tipping-point" fenomen. Så länge som även vid bästa förutsättningar för istillväxtförutsättningarna, temperatur mm., är för dåliga för en god glaciärtillväxt uppstår inte istider. Men när glaciärerna börjar växa blir det en återkoppling som destabliserar klimatet. Se även ett tidigare inlägg om koldioxidnivån senaste miljoner åren som innehåller detta diagram över temperaturen där man ser hur variationerna började öka senaste ca 3 miljoner åren.

    SvaraRadera
  7. J,
    Jag är rädd att du blandar ihop magnetiska polerna med jordaxeln. De magnetiska polerna flyttar sig förhållandevis snabbt och de har reverserats, alltså magnetiska nord och sydpolen bytt plats, med mellanrum på 10 000 tals upp till miljontals tals år. Se här.
    Jordaxeln och jordens rotation är en annan sak. Se ovan i inlägget.

    SvaraRadera
  8. Tack Lars, nu när jag läser siffran kommer jag ihåg att jag har läst den någonstans tidigare.
    Anders, jag missar att det finns rätt mycket att gräva fram på UI, det blir problemet när man är en sporadisk läsare. Det är intressant att fundera på hur klimatet kommer att reagera på längre sikt (>10 000 år) med den här artificiella infusionen av koldioxid. Varmare, absolut, men hur länge? Vid de andra värmeperoider har koldioxiden fungerat som en förstärkare, inte som en initierande kraft (väl?). Om vi "egentligen" har ett kallare klimat, som värms av koldioxid, hur länge dröjer det innan koldioxiden och därmed klimatet kommer ner till en ursprunglig nivå. Därefter blir det mesta ganska osäkert pga olika tipping points, och man kan bara gissa. Har ni skrivit ett blogginlägg om likande spekulationer? I vilket fall, tack för att ni jobbar på med en bra websida.

    SvaraRadera
  9. Anders M,
    tack för dina referenser och Olof, du påpekar ett intressant förhållande beträffande smältvärme, är säkert inblandat i periodisiteten.

    SvaraRadera
  10. Så enligt diagrammet blir klimatet allt varmare, och istäcket allt mindre, tills vi når ett klimatmaxima. Därefter, ganska snart, får vi en ny nedisning.
    Två saker slår mig:
    1, Observationerna av krympande isar och allt varmare klimat stämmer perfekt med tidigare historia.
    2. I så fall borde vi kanske öka co2 för att avvärja den kommade nedisningen tills vi vet hur vi ska hantera den?

    SvaraRadera
  11. motorfot,
    1) Vi har passerat maxima. Senaste maxima var för ca 9000 år sedan. Så isarna bör sakta öka inte minska.
    2) Du blandar tidsskalor och storleksordningar.
    Temperaturen har före 1900-talet sjunkit med några tusendels grader per årtionde i snitt pga av istidscyklerna. Nu ökar den nästan 100 ggr så snabbt som den sjönk då.
    Nästa istid förväntas inledas, även om vi inte tar hänsyn till dagens koldioxidutsläpp, först om så där 50 000 år. Det är 5 ggr så lång tid som sedan de första jordbrukarna.

    SvaraRadera
  12. Men Anders, det du säger stämmer ju inte alls med grafen i inlägget ovan. Enligt den är det inte alls klart att vi passerat maxima i varken temperatur eller minima i isvolym. Och att det skulle ta 50000 år innan nästa nedisning inleds, det kan ju varken du eller någon annan veta, det är en optimistisk gissning.

    SvaraRadera
  13. Motorfot,
    Det rör sig om cykler. De går att förusäga.

    Enligt Archer och Ganopolski kommer vi nära en glacial om ett par tusen år, men det räcker inte riktigt till. Nästa tillfälle är om 50,000 år. Men det finns andra modeller som förutsäger att det blir om ett par tusen år. Hur som helst har vi minst ett par tusen år på oss att förbereda oss på eller avvärja nästa istid.
    Men det är vår egen klimatpåverkan de närmsta århundradena som vi verkligen bör oroa oss för.

    SvaraRadera
  14. motorfot,
    Det finns mer att läsa i ämnet än inlägget ovan.
    Tex denna artikel och denna
    Börja där.

    SvaraRadera
  15. Bra Lars. Fel av mig. Det är möjligt att "redan" om ett antal 1000 år förutsättningarna är sådana som kan trigga en istid. Om inte dagens koldioxidutsläpp funnes.

    SvaraRadera
  16. Angående excentricitet. Spelar Keplers andra lag (den om att planeter i en elliptisk bana rör sig snabbare då de är närmare stjärnan) ingen roll för jordens temperatur?

    SvaraRadera
  17. Kanjitard,
    Som jag förstår det, från "Principles of Planetary Climate" (kap. 7.5), finns den effekten men är liten för jorden och andra planeter vars banas eccentricitet är liten.

    SvaraRadera
  18. Lars, förklara vad du menar med att "cykler" är oförutsägbara?
    Jag trodde det var tvärtom, att cykler är förutsägbara just eftersom de är i tiden återkommende fenomen.
    Vi vet inte vad som triggar istiderna. Vi vet inte om co2-utsläpp påskyndar eller fördröjer nästa nedisning.
    Vad vi vet är att enligt tidigare upprepade mönster, cykler, så lever vi isfritt på lånad tid. Kanske har våra co2-utsläpp räddat oss från en iskatastrof. Vad är klokast, dra ner på co2 för att hindra en extra uppvärmning av klimatet med några tiondels grader per århundrade och riskera en ny glacialperiod, eller det motsatta? Detta tycker jag är en relevant och viktig principiell frågeställning, och eftersom jag skulle få flytta söderut vid en ny isperiod röstar jag för att hålla värmen uppe och jag vill gärna se mer forskning på området.

    SvaraRadera
  19. Jag skrev att de går att förutsäga, så på den punkten är vi överens.

    SvaraRadera
  20. motorfot,
    Om du godkänner beläggen för att det funnits istider och istidscykler överhuvudtaget bör du också godkänna koldioxidens viktiga växthuseffekt. De är lika väl belagda av över hundra års forskning. Vetenskap är ingen chokladask där du kan plocka de praliner av observationer och teorier du gillar och ignorera de som inte passar din smak.

    SvaraRadera
  21. motorfot,
    forskning pågår, mer blir det också, så på den punkten bör du vara nöjd.
    Som det ser ut behöver du inte flytta och du hade inte behövt flytta även om vi inte släppt ut en massa koldioxid. Men vad tänker du om dem som bor på sämre breddgrader och platser, eller kommande generationer?
    Vi vet att tämligen begränsad fysikalisk påverkan triggar förlopp som svänger mellan istid och behagligt klimat. Vi vet också vad en dramatiska förändring av koldioxidhalt kan tänkas trigga, vi vet bara inte om det sker.
    Riktigt otäckt är att det finns tankar på temat "smutsa ner" i atmosfären för att balansera den temperaturhöjning växthusgaserna ger upphov till. Otäckt därför att detta förefaller tekniskt och ekonomiskt möjligt kanske tom som ett privat projekt.

    SvaraRadera

Tips: Använd gärna signatur när du kommenterar. Det underlättar samtalet